Een onverwacht fenomeen dat bekend staat als zero field switching (ZFS) kan leiden tot kleinere, geheugen en computerapparatuur met een lager vermogen dan momenteel mogelijk is. De afbeelding toont een gelaagdheid van platina (Pt), wolfraam (W), en een kobalt-ijzer-boormagneet (CoFeB) aan de uiteinden ingeklemd door gouden (Au) elektroden op een silicium (Si) oppervlak. De grijze pijlen geven de algehele richting weer van de elektrische stroom die in de structuur wordt geïnjecteerd aan de achterkant van het gouden (Au) contact en die uit het voorste gouden contactvlak komt.

De CoFeB-laag is een nanometer dikke magneet die een beetje data opslaat. Een "1" komt overeen met de CoFeB-magnetisatie die naar boven wijst (pijl omhoog), en een "0" vertegenwoordigt de magnetisatie die naar beneden wijst (pijl omlaag). De "0" of "1" is zowel elektrisch als optisch afleesbaar, omdat de magnetisatie de reflectiviteit van licht dat op het materiaal schijnt verandert door een ander fenomeen dat bekend staat als het magneto-optische Kerr-effect (MOKE).

Op het apparaat, elektrische stroom kan de gegevensstatus tussen 0 en 1 omdraaien. Eerdere apparaten van dit type hadden ook een magnetisch veld of andere complexere maatregelen nodig om de magnetisatie van het materiaal te veranderen. Die eerdere apparaten zijn niet erg handig voor het bouwen van stabiele, niet-vluchtige geheugenapparaten.

Een doorbraak vond plaats in een onderzoekssamenwerking tussen de Johns Hopkins University en NIST. Het team ontdekte dat ze de CoFeB-magnetisatie op een stabiele manier tussen de 0- en 1-toestanden konden omdraaien door alleen elektrische stroom door de Pt- en W-metaallagen naast de CoFeB-nanomagneet te sturen. Ze hadden geen magnetisch veld nodig. Dit ZFS-effect (zero-field switching) was een verrassing en was niet theoretisch voorspeld.

In hun werk, de onderzoekers creëerden een speciaal soort elektrische stroom die bekend staat als een "spin" -stroom. De elektronen die elektrische stroom voeren, bezitten een eigenschap die bekend staat als spin en die kan worden voorgesteld als een staafmagneet die in een specifieke richting door het elektron wijst. Steeds meer gebruikt in het opkomende gebied dat bekend staat als "spintronica, " spinstroom is gewoon elektrische stroom waarbij de spins van de elektronen in dezelfde richting wijzen. Terwijl een elektron door het materiaal beweegt, de interactie tussen zijn spin en zijn beweging (een spin-orbittorsie genoemd, SOT) creëert een spinstroom waarbij elektronen met één spintoestand loodrecht op de stroom in één richting bewegen en elektronen met de tegenovergestelde spintoestand in de tegenovergestelde richting bewegen. De resulterende spins die naast de CoFeB magnetische laag zijn verplaatst, oefenen een koppel uit op die laag, waardoor de magnetisatie wordt omgedraaid. Zonder de spinstroom is de CoFeB-magnetisatie stabiel tegen eventuele schommelingen in stroom en temperatuur. Dit onverwachte ZFS-effect stelt theoretici nieuwe vragen over het onderliggende mechanisme van het waargenomen SOT-geïnduceerde schakelfenomeen.

Details van het draai-baankoppel worden geïllustreerd in het diagram. De paarse pijlen tonen de spins van de elektronen in elke laag. De blauwe gebogen pijl geeft de richting aan waarin spins van dat type worden omgeleid. (Bijvoorbeeld, in de W-laag, elektronen met spin naar links in het xy-vlak worden omgeleid om omhoog te bewegen in de richting van de CoFeB en de elektronenspins naar rechts worden omgeleid om naar beneden te bewegen in de richting van de Pt.) Let op de elektronenspins in het Pt met spin naar rechts (in de xy-vlak), echter, worden omgeleid om omhoog te bewegen naar de W en de elektronenspins met spin naar links worden omgeleid om naar beneden te bewegen naar de Si. Dit is tegengesteld aan de richting waarin de elektronenspins in de W bewegen, en dit komt door verschillen in de SOT die worden ervaren door elektronen die door Pt bewegen en die door W. In feite, het is dit verschil in de manier waarop de elektronen door elk van deze twee geleiders bewegen dat belangrijk kan zijn om het ongebruikelijke ZFS-effect mogelijk te maken.

Het onderzoeksteam, waaronder NIST-wetenschappers Daniel Gopman, Robert Shull, en NIST-gastonderzoeker Yury Kabanov, en de Johns Hopkins University-onderzoekers Qinli Ma, Yufan Li en professor Chia-Ling Chien, rapporteren hun bevindingen vandaag in Fysieke beoordelingsbrieven .

Lopende onderzoeken door de onderzoekers proberen andere potentiële materialen te identificeren die nulveldschakeling van een enkele loodrechte nanomagneet mogelijk maken, evenals het bepalen hoe het ZFS-gedrag verandert voor nanomagneten met kleinere laterale afmetingen en het ontwikkelen van de theoretische basis voor dit onverwachte schakelfenomeen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.